Как Нидерланды строят индустрию морских водорослей

Голландские химики, биологи и инженеры закладывают основу амбициозного национального плана

Окаймляя холодное серое Северное море, в верховьях Нидерландов преобладают плоские песчаные поля, простирающиеся насколько видит глаз.
Этот тихий, ветреный ландшафт, часть которого находится ниже уровня моря, вряд ли станет претендентом на то, чтобы стать крупным центром химической промышленности.
Но среди голландских исследовательских организаций создается импульс, который превращает его в центр устойчивого производства биотоплива и специальных продуктов из практически неиспользованного ресурса — морских водорослей.

 

Как Нидерланды строят индустрию морских водорослей

Выращивание морских водорослей для производства продуктов питания и топлива. «Идея состоит в том, чтобы превратить Северное море в регион, производящий энергию и сырье», — говорит Яап ван Хал, менеджер по инновациям в области биопереработки в TNO, финансируемом правительством Нидерландов научно-исследовательском институте.

Предложение о массовом производстве и переработке морских водорослей в регионе привлекло финансирование со стороны Европейского Союза и национальных и региональных правительств Нидерландов. Предприятие требует от компаний выращивать и собирать морские водоросли, а также обладать ноу-хау для превращения макроводорослей в продукты. К счастью, организации с таким опытом уже существуют в регионе.

Однако далеко не ясно, смогут ли голландцы превратить то, что в значительной степени финансируется государством, в экономически жизнеспособный бизнес. Основная задача будет заключаться в том, чтобы снизить стоимость крупномасштабного выращивания, сбора урожая и модернизации морских водорослей до доли нынешних уровней.

Мы можем получить до 75% питательных веществ, поступающих в океаны с водорослями.
Рейнир Наута, морской биолог: «Бурые водоросли богаты сахаром,  идеально подходят для их превращения в топливо и продукты, для разработки материалов на макроводоросли, которые могут расти в Северном море. Стремясь облегчить сбор урожая, морские биологи в Нидерландах также испытывают системы по выращиванию быстрорастущих морских водорослей, таких как Ulva lactuca,  известная как морской салат — в резервуарах с морской водой на суше. Тем временем другие организации, в том числе Wageningen University & Research (WUR), работают над извлечением соединений из морских водорослей для производства таких продуктов, как кормовые добавки для животных.

Цель правительства Нидерландов — выращивать и обрабатывать водоросли в огромных масштабах. Чиновники говорят, что индустрия морских водорослей могла бы воспользоваться инфраструктурой, создаваемой для поддержки плана устойчивой энергетики на 2050 год, который предусматривает выделение одной четверти территориальных вод страны в Северном море для ветряных турбин.

С этой целью разработка и тестирование технологий уже идут полным ходом. Исследователи из различных финансируемых правительством институтов испытывают методы выращивания морских водорослей в Северном море в местах у голландского и бельгийского побережья. Испытания на ферме по выращиванию морских водорослей к западу от Амстердама показывают, что водоросли можно выращивать круглый год с урожайностью 25 метрических тонн сухого продукта на гектар в год.

В конце 2018 года TNO открыла лабораторию в Петтене, к северу от Амстердама, и занималась обработкой и тестированием морских водорослей. Расположенная в песчаных дюнах, граничащих с Северным морем, лаборатория призвана служить катализатором для производства и переработки морских водорослей в Нидерландах и за ее пределами.

TNO предоставляет лабораторные услуги всем заинтересованным сторонам. Ученые в лаборатории могут производить экстракт морских водорослей, очищать его и проводить химический синтез, чтобы получить целевое соединение, если партнер желает разработать концептуальный проект интегрированного процесса.

Например, TNO работает с WUR, который разрабатывает биотехнологические методы переработки морских водорослей в полезные соединения, а также с институтом океана Marin и институтом управления водными ресурсами Deltares, который уже построил демонстрационный парк ветряных турбин, объединяющий производство морских водорослей. «У нас есть согласованные усилия со всеми этими исследовательскими институтами», — говорит Ван Хэл.


TNO создала лабораторию в Нидерландах для анализа морских водорослей и производства небольших объемов производных продуктов.

В команде TNO около 60 человек, занимающихся всеми видами биомассы, в том числе около 12 штатных сотрудников, работающих в лаборатории морских водорослей над рядом видов макроводорослей.

По словам Ван Хэла, лаборатория открылась всего несколько месяцев назад, и уже получает запросы со всего мира.  Такие компании, как голландский специалист по выращиванию морских водорослей Hortimare, работают с учеными TNO, чтобы определить, какие виды морских водорослей лучше всего подходят для производства биотоплива.

TNO готово лицензировать свою интеллектуальную собственность и ноу-хау по производству сахаров для производства биобутанола, замены дизельного топлива. Организация также имеет технологию, касающуюся производства сахаров для нового биотоплива на основе фурана.

«Это долгий путь», — говорит Ван Хэл. «Как и во многих проектах в области устойчивого развития, мы находимся в начале крутой кривой обучения». ТНО имеет возможность производить биотопливо партиями по 100 л.

Голландцы также содействуют увеличению производства морских водорослей за пределами Нидерландов. В 2016 году ЕС запустил MacroFuels, четырехлетний проект стоимостью 6 млн. долларов США, который позволит значительно сократить расходы на выращивание морских водорослей, а также обеспечит доступность большего количества морских водорослей для испытаний биотоплива.

11 организаций, участвующих в MacroFuels, включая TNO и голландскую каталитическую компанию Avantium, проводят испытания процессов производства биотоплива на бурых, красных и зеленых морских водорослях, включая сахарную бурую водоросль. Их проекты включают разработку био- и термохимических маршрутов для получения биоэтанола, биобутанола и других видов топлива.

Продовольственная компания Dutch Weed Burger успешно продает гамбургеры в Амстердаме с добавлением ульвы и сахарной водоросли.
Партнеры MacroFuels также разрабатывают недорогие методы выращивания морских водорослей, например, путем севооборота на различных растущих субстратах, закрепленных в море. Партнеры должны завершить свои проекты в конце этого года.

Другой финансируемый ЕС проект, Macro Cascade, стремится использовать соединения, присутствующие в водорослях, для производства специальных химикатов. В нее входят 13 организаций, включая WUR, TNO и Hortimare.

Макро Каскад, запущенный в ноябре 2016 года с финансированием ЕС почти 5 миллионов долларов (4,2 миллиона евро), ставит своей целью оценку биопереработки морских водорослей в лабораторном, экспериментальном и коммерческом масштабах.

Как и партнеры MacroFuels, партнеры Macro Cascade разрабатывают новые субстраты для выращивания морских водорослей в открытом океане. Цель состоит в том, чтобы объединить методы выращивания в открытом океане с новыми технологиями механического сбора урожая, чтобы увеличить урожайность биомассы в пять раз и снизить общие затраты на культивирование до 75%.

«Макро Каскад» не говорит о своем прогрессе, хотя в начале этого года участники намекали, что молекулы, которые они могут извлечь из морских водорослей, включают β-глюканы, группу полисахаридов, которые, как было показано в исследованиях, усиливают иммунный ответ животных.

Помимо Макро Каскада, отдельные ученые также занимаются разведением морских водорослей. Исследуя WUR Алехандро Пароди, следя за ростом численности населения в мире и растущими ограничениями на пахотных землях, выясняет, может ли водоросль стать хорошей заменой для продуктов животного происхождения.

Он пришел к выводу, что сахарная водоросль должна стать основным компонентом рациона человека наряду с другими «будущими продуктами питания», такими как личинки мух черных солдат, личинки червя, микроводоросли хлореллы и культивируемое мясо. Он опубликовал результаты своего исследования в декабре 2018 года в журнале Nature Sustainability.

По мнению WUR, выделение всего 2% поверхности моря Земли для выращивания морских водорослей обеспечит достаточное количество пищи для всего мира. По сравнению с разведением животных производство ламинарии сахарной окажет гораздо меньшее влияние на выбросы парниковых газов на единицу белка и позволит избежать проблем, связанных с землепользованием. Однако для того, чтобы сделать сахарную водоросль привлекательной и доступной в больших масштабах, потребуется частная и государственная помощь  — предупреждает Пароди в своем исследовании.

Ряд других организаций, в том числе NIOZ (Королевский нидерландский институт морских исследований), стремятся определить оптимальные системы культивирования для выращивания морских водорослей для производства продуктов питания и других применений. Исследовательский центр НИОЗ на острове Тексел находится в часе езды и в нескольких минутах езды на пароме от лаборатории морских водорослей TNO в Петтене. Здесь находятся 250 ученых, изучающих различные аспекты морской среды. Одним из них является морской биолог Рейнир Наута. Четверть времени Nauta посвящена NIOZ, а остальное — Saline Farming, начинающей компании, которая консультирует по выращиванию сельскохозяйственных культур в соленой воде.

Исследования Nauta в NIOZ касаются в основном выращивания ульвы и сахарной бурой водоросли. Он стремится определить оптимальные условия выращивания морских водорослей, используя десять резервуаров по 1500 л и три резервуара по 25 000 л в Научно-исследовательском центре морских водорослей НИОЗ.

Ульва особенно интересна как наземная культура, выращиваемая в резервуарах. Она богата питательными веществами и поэтому подходит для пищевых продуктов и кормов. И может быть выращена в солоноватой воде, а так же в морской воде. «Мы можем снизить соленость воды вдвое, и Ульва все еще хорошо растет» — говорит Наута.

Но выращивать водоросли в резервуарах на суше сложно. «Уровень pH в аквариуме меняется на следующий день после сбора урожая. И среди других проблем, слишком много питательных веществ вызывают рост бактерий».

Однако, если вы правильно определите условия окружающей среды, то Ulva, водоросль в виде ткани без корневого якоря, будет расти со скоростью около 10% по массе в день, говорит Наута.

В отличие от Ulva, сахарная бурая водоросль имеет сильную якорную систему и лучше подходит для выращивания в открытом море на субстрате, таком как большой волокнистый мат, говорит он. Может расти до 2 м в основной вегетационный период с ноября по май.

Наута признает, что выращивание морских водорослей находится на ранней стадии. От четырех до пяти лет испытаний ожидают еще .

В конечном счете, однако, промышленные морские водоросли могут быть полезны для океанов. Он могут удалять питательные вещества, такие как фосфор и азот, из удобрений, вымытых с полей, не давая им вызывать цветение микроводорослей.

«Мы можем получить до 75% питательных веществ, поступающих в океаны с водорослями в качестве фильтра. Это круговой цикл».

В то время как испытания по выращиванию морских водорослей все еще находятся на ранних стадиях, голландцы уже начинают испытывать вкус к водорослям, говорит Марк Кулсдом, соучредитель голландского Weed Burger, компании, которая продает вегетарианские бургеры с морскими водорослями, такими как морская водоросль и ульва. Продукция фирмы включает в себя пивной бургер с морскими водорослями и баклажанами.

«Морские водоросли станут новым источником белка следующего поколения», — говорит Кулсдом. «Это будущее. Мы готовы наращивать масштабы и действительно готовы к этому уже в следующем году».

Однако до масштабных поставок и переработки морских водорослей в Нидерландах еще далеко, и голландским проектам еще предстоит привлечь крупные инвестиции биотопливных и химических компаний. Кроме того, экономическое обоснование для компаний в цепочке создания стоимости далеко не определенно. Что примечательно, главный работодатель Nauta, Saline Farming, недавно сообщил, что он объявил о банкротстве.

Даже амбициозным голландцам, кажется, нужно пересечь некоторые неспокойные воды, прежде чем они смогут вывести свое видение индустрии морских водорослей на берег.

Водоросли и кислород